(57)【要約】【課題】簡便な構造で紫外光を選択的に検出できるようにし、装置コストの低減及び装置の小型化を可能にし、最も簡素化した場合には、携帯することもできる紫外検出装置を提供する。【解決手段】紫外検出装置は、４００ｎｍを超える光波長域では受光感度が略０であり、４００ｎｍ以下の光波長域で受光感度を有する半導体光電変換層を有する光電変換素子を備えている。半導体光電変換層は、光を電流に変換する作用を持つ半導体層である。このように、半導体ベースの光電変換素子で紫外検出装置を構成できるので、軽量で携帯性に優れた検出装置とすることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４００ｎｍを超える光波長域では受光感度が略０であり、４００ｎｍ以下の光波長域で受光感度を有する半導体光電変換層を有する光電変換素子を備えた紫外検出装置。
【請求項２】
前記光電変換素子の４００ｎｍを超える光波長域における受光感度は１０−２Ａ／Ｗ未満であり、前記４００ｎｍ以下の光波長域における受光感度は１０−２Ａ／Ｗ以上であることを特徴とする請求項１記載の紫外検出装置。
【請求項３】
前記光電変換素子は、半導体同士のＰＮ接合又は半導体と電極とのショットキー接合により構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の紫外検出装置。
【請求項４】
前記半導体光電変換層は、Γ点におけるバンドギャップが３ｅＶ以上ある材料で構成されていることを特徴とする請求項３記載の紫外検出装置。
【請求項５】
前記半導体光電変換層は、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、ＩｎＧａＮＺｎＯ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮのいずれかで形成されていることを特徴とする請求項４記載の紫外検出装置。
【請求項６】
前記半導体とショットキー接合する電極は、有機導電体で構成されていることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載の紫外検出装置。
【請求項７】
前記半導体光電変換層はＺｎＯ又はＭｇＺｎＯからなるＺｎＯ系半導体であって、該ＺｎＯ系半導体の有機導電体と接する側の主面が＋Ｃ面であることを特徴とする請求項６記載の紫外検出装置。
【請求項８】
前記主面の＋ｃ軸は前記有機導電体の法線方向から少なくともｍ軸方向に傾斜していることを特徴とする請求項７記載の紫外検出装置。
【請求項９】
前記主面の＋ｃ軸の傾斜角度は５度以下であることを特徴とする請求項８記載の紫外検出装置。
【請求項１０】
前記ＺｎＯ系半導体の有機導電体と接する側の主面がＭ面又はＡ面であることを特徴とする請求項６記載の紫外検出装置。
【請求項１１】
前記主面のｍ軸は前記有機導電体の法線方向から少なくとも−ｃ軸方向に傾斜していることを特徴とする請求項１０記載の紫外検出装置。
【請求項１２】
前記有機導電体の少なくとも一部は導電性ポリマーで構成されていることを特徴とする請求項６〜請求項１１のいずれか１項に記載の紫外検出装置。
【請求項１３】
太陽光が照射された時間における紫外光積算量を検出することを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の紫外検出装置。
【請求項１４】
前記光電変換素子を収納する容器と、該容器内に収納された全ての部品と、該容器上に形成された全ての部品の合計重量が１ｋｇ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の紫外検出装置。
【請求項１５】
前記半導体光電変換層がＭｇＸＺｎ１−ＸＯ（０＜Ｘ≦０．５）で構成された光電変換素子と、半導体光電変換層がＺｎＯで構成された光電変換素子とを少なくとも備えたことを特徴とする請求項５〜請求項１４のいずれか１項に記載の紫外検出装置。
【請求項１６】
前記半導体光電変換層がＭｇＸＺｎ１−ＸＯ（０＜Ｘ≦０．５）で構成された光電変換素子は、Ｘが互いに異なる複数の光電変換素子により構成されていることを特徴とする請求項１５記載の紫外検出装置。
【請求項１７】
前記半導体光電変換層がＭｇＹＺｎ１−ＹＯ（０≦Ｙ＜１）で構成され、前記光電変換素子の受光感度が長波長側において１０−２Ａ／Ｗ以下で短波長側において１０−２Ａ／Ｗ以上となる光電変換開始波長が、２８０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の範囲になるように前記ＭｇＹＺｎ１−ＹＯのＭｇ組成Ｙが構成されていることを特徴とする請求項５〜請求項１４のいずれか１項に記載の紫外検出装置。
【請求項１８】
前記ＭｇＹＺｎ１−ＹＯのＭｇ組成Ｙが０．２５以上であり、前記光電変換開始波長が３２０ｎｍに調整されていることを特徴とする請求項１７に記載の紫外検出装置。
【請求項１９】
前記ＭｇＹＺｎ１−ＹＯのＭｇ組成Ｙが０．４５以上であり、前記光電変換開始波長が２８０ｎｍに調整されていることを特徴とする請求項１７に記載の紫外検出装置。
【請求項２０】
前記光電変換素子が火炎又は火花の検出に用いられること特徴とする請求項１７に記載の紫外検出装置。
【請求項２１】
前記光電変換素子が屋内での火炎又は火花の検出に用いられ、Ｍｇ組成Ｙが０．１６以上であることを特徴とする請求項２０に記載の紫外検出装置。
【請求項２２】
前記光電変換素子が屋外での火炎又は火花の検出に用いられ、Ｍｇ組成Ｙが０．５以上であることを特徴とする請求項２０に記載の紫外検出装置。
【請求項２３】
前記光電変換素子で受光した紫外光量を画像で表示する表示部を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項２２のいずれか１項に記載の紫外検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人間が自然に浴びてしまう光の中の紫外線成分のみを測定する紫外検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人類が大量の化石燃料を燃やす事で地球大気内の酸素量が減少し、ＣＯ２量が増加していることは良く知られている。後者は温暖化ガスとして著名であるが、酸素量の減少は、大気中の酸素に太陽光の紫外光（ＵＶ光）が当たる事で生じているオゾン層にたびたび穴が開く現象を引き起こしている。これはオゾンホールと呼ばれている。
【０００３】
オゾンホールができることによって、特に北欧などの高緯度地方に住む、もともと紫外光に対して耐性がない白人の人達は、直接皮膚がんの脅威にさらされる事になる。また、これほど生体に大きな影響でなくとも、紫外光が長期的には肌の劣化などを引き起こすことが知られている。これらは、ほとんど太陽光の当たらない臀部の皮膚が非常に綺麗なこと、高山地域に住む人達の顔の肌は特に荒れていること等から良く知られていることである。
【０００４】
以上の状況を考えると、自分がどれくらい紫外光を浴びているかを知ることは、肌の健康を保つための対策をどれくらい行なえばいいかの指針が得られると言う美容上の利点がある。また、長期的には紫外光量と皮膚がんの発生の関係を明瞭にし、その予防対策をするための基礎となる。
【０００５】
人体の紫外線に対する反応としての紅斑や黒化は、紫外線のみの照射で起こるのではない。実際には可視光・赤外光とが同時に照射されることで起こる複合的な免疫反応であると言われている。このため、紫外線を含む光の照射下で紫外線のみを選択的に高感度で検出できる装置があれば、紫外光に対するケア商品を開発するための強力なツールとなることは間違いない。
【０００６】
しかし、紫外線のみを選択的に高感度で検出しようとすると、以下に述べるような種々の問題が生じる。従来の光電変換素子は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳイメージセンサ等にも用いられているＳｉで構成されているのが一般的であるが、Ｓｉは全ての波長域で感度を持っており、紫外光だけを取り出して光量を測定することができない。そのために紫外光以外をカットするため、なんらかの可視光・赤外線カットフィルターを入れることが必要になる。
【０００７】
この場合可視光カットフィルターは普通屈折率の違う膜を交互に積み重ねた干渉フィルターとなるのが一般的である。しかし、カットバンド幅は使用する膜の屈折率差で決まるため、干渉フィルターが光量を略０にカットできる波長域を４００−８００ｎｍの可視光全域にすることは難しい。しかも干渉フィルターではカットできない波長というものが必ず存在し、可視はカットできても、赤外がカットできなくなる。この場合Ｓｉ光電変換素子では赤外光に対する感度もあるため、紫外光だけを透過させて測定することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−９６１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一方、上記干渉フィルターとＳｉ光電変換素子との組み合わせで発生する問題を解決するために、分光器と光電子増倍管という組み合わせで構成した紫外線検出器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、紫外光領域に感度特性のすぐれた分光器と、紫外光領域に感度のすぐれた光電子増倍管を重ねて用いることにより、紫外光のみを検出しようとしているが、集光レンズや分光器等の光学系部品と光電子増倍管等のセンサとが必要になり、検出器が大型化して紫外光を検出できる簡便な構造の装置とならない。そもそも、光電子増倍管自体が真空管であるために、どうしても装置が大型化してしまう。したがって、携帯する用途に沿った検出装置を作製することは不可能である。
【００１０】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、簡便な構造で紫外光を選択的に検出できるようにし、装置コストの低減及び装置の小型化を可能にし、最も簡素化した場合には、携帯することもできる紫外検出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、４００ｎｍを超える光波長域では受光感度が略０であり、４００ｎｍ以下の光波長域で受光感度を有する半導体光電変換層を有する光電変換素子を備えた紫外検出装置である。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、前記光電変換素子の４００ｎｍを超える光波長域における受光感度は１０−２Ａ／Ｗ未満であり、前記４００ｎｍ以下の光波長域における受光感度は１０−２Ａ／Ｗ以上であることを特徴とする請求項１記載の紫外検出装置である。
【００１３】
また、請求項３記載の発明は、前記光電変換素子は、半導体同士のＰＮ接合又は半導体と電極とのショットキー接合により形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の紫外検出装置である。
【００１４】
また、請求項４記載の発明は、前記半導体光電変換層は、Γ点におけるバンドギャップが３ｅＶ以上ある材料で構成されていることを特徴とする請求項３記載の紫外検出装置である。
【００１５】
また、請求項５記載の発明は、前記半導体光電変換層は、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、ＩｎＧａＮＺｎＯ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮのいずれかで形成されていることを特徴とする請求項４記載の紫外検出装置である。
【００１６】
また、請求項６記載の発明は、前記半導体とショットキー接合する電極は、有機導電体で構成されていることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載の紫外検出装置である。
【００１７】
また、請求項７記載の発明は、前記半導体光電変換層はＺｎＯ又はＭｇＺｎＯからなるＺｎＯ系半導体であって、該ＺｎＯ系半導体の有機導電体と接する側の主面が＋Ｃ面であることを特徴とする請求項６記載の紫外検出装置である。
【００１８】
また、請求項８記載の発明は、前記主面の＋ｃ軸は前記有機導電体の法線方向から少なくともｍ軸方向に傾斜していることを特徴とする請求項７記載の紫外検出装置である。
【００１９】
また、請求項９記載の発明は、前記主面の＋ｃ軸の傾斜角度は５度以下であることを特徴とする請求項８記載の紫外検出装置である。
【００２０】
また、請求項１０記載の発明は、前記ＺｎＯ系半導体の有機導電体と接する側の主面がＭ面又はＡ面であることを特徴とする請求項６記載の紫外検出装置である。
【００２１】
また、請求項１１記載の発明は、前記主面のｍ軸は前記有機導電体の法線方向から少なくとも−ｃ軸方向に傾斜していることを特徴とする請求項１０記載の紫外検出装置である。
【００２２】
また、請求項１２記載の発明は、前記有機導電体の少なくとも一部は導電性ポリマーで構成されていることを特徴とする請求項６〜請求項１１のいずれか１項に記載の紫外検出装置である。
【００２３】
また、請求項１３記載の発明は、太陽光が照射された時間における紫外光積算量を検出することを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の紫外検出装置である。
【００２４】
また、請求項１４記載の発明は、前記光電変換素子を収納する容器と、該容器内に収納された全ての部品と、該容器上に形成された全ての部品の合計重量が１ｋｇ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の紫外検出装置である。
【００２５】
また、請求項１５記載の発明は、前記半導体光電変換層がＭｇＸＺｎ１−ＸＯ（０＜Ｘ≦０．５）で構成された光電変換素子と、半導体光電変換層がＺｎＯで構成された光電変換素子とを少なくとも備えたことを特徴とする請求項５〜請求項１４のいずれか１項に記載の紫外検出装置である。
【００２６】
また、請求項１６記載の発明は、前記半導体光電変換層がＭｇＸＺｎ１−ＸＯ（０＜Ｘ≦０．５）で構成された光電変換素子は、Ｘが互いに異なる複数の光電変換素子により構成されていることを特徴とする請求項１５記載の紫外検出装置である。
【００２７】
また、請求項１７記載の発明は、前記半導体光電変換層がＭｇＹＺｎ１−ＹＯ（０≦Ｙ＜１）で構成され、前記光電変換素子の受光感度が長波長側において１０−２Ａ／Ｗ以下で短波長側において１０−２Ａ／Ｗ以上となる光電変換開始波長が、２８０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の範囲になるように前記ＭｇＹＺｎ１−ＹＯのＭｇ組成Ｙが構成されていることを特徴とする請求項５〜請求項１４のいずれか１項に記載の紫外検出装置である。
【００２８】
また、請求項１８記載の発明は、前記ＭｇＹＺｎ１−ＹＯのＭｇ組成Ｙが０．２５以上であり、前記光電変換開始波長が３２０ｎｍに調整されていることを特徴とする請求項１７に記載の紫外検出装置である。
【００２９】
また、請求項１９記載の発明は、前記ＭｇＹＺｎ１−ＹＯのＭｇ組成Ｙが０．４５以上であり、前記光電変換開始波長が２８０ｎｍに調整されていることを特徴とする請求項１７に記載の紫外検出装置である。
【００３０】
また、請求項２０記載の発明は、前記光電変換素子が火炎又は火花の検出に用いられること特徴とする請求項１７に記載の紫外検出装置である。
【００３１】
また、請求項２１記載の発明は、前記光電変換素子が屋内での火炎又は火花の検出に用いられ、Ｍｇ組成Ｙが０．１６以上であることを特徴とする請求項２０に記載の紫外検出装置である。
【００３２】
また、請求項２２記載の発明は、前記光電変換素子が屋外での火炎又は火花の検出に用いられ、Ｍｇ組成Ｙが０．５以上であることを特徴とする請求項２０に記載の紫外検出装置である。
【００３３】
また、請求項２３記載の発明は、前記光電変換素子で受光した紫外光量を画像で表示する表示部を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項２２のいずれか１項に記載の紫外検出装置である。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の紫外検出装置は、４００ｎｍを超える光波長域では受光感度が略０であり、４００ｎｍ以下の光波長域で受光感度を有する半導体光電変換層を有する光電変換素子を備えているので、従来のように、可視光カットフィルターや集光レンズ、分光器等の光学系部品を必要とせず、簡単な構成で紫外光量を検出することができる。また、半導体ベースの光電変換素子で紫外検出装置を構成できるので、軽量で携帯性に優れた検出装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の紫外検出装置に用いられる光電変換素子の分光感度特性と半導体光電変換の透過率を示す図である。
【図２】ショットキー接合型光電変換素子の構成例を示す図である。
【図３】ＰＮ接合型光電変換素子の構成例を示す図である。
【図４】バンドギャップ相当波長とＭｇＺｎＯのＭｇ含有割合との関係を示す図である。
【図５】ＭｇＺｎＯベースのショットキー型光電変換素子の感度特性とＭｇＺｎＯの透過率を示す図である。
【図６】本発明の紫外検出装置の構成例を示す図である。
【図７】本発明の紫外検出装置の他の構成例を示す図である。
【図８】ＺｎＯ系半導体と有機物電極との接合界面領域におけるエネルギーバンドを示す図である。
【図９】ショットキー型光電変換素子で、電極に金属を用いた場合と有機導電体を用いた場合とで電流−電圧特性を比較した図である。
【図１０】ポリチオフェン誘導体とポリスチレンスルホン酸の化学構造式を示す図である。
【図１１】ポリアニリン誘導体の化学構造式を示す図である。
【図１２】ポリピロール誘導体の化学構造式を示す図である。
【図１３】基板主面法線と基板結晶軸であるｃ軸、ｍ軸、ａ軸との関係を示す図である。
【図１４】ｃ軸が有機物電極の法線方向に対してｍ軸方向にオフ角を有する場合のＺｎＯ系半導体層表面を示す図である。
【図１５】結晶成長過程におけるウエハ上のキンク位置を示す図である。
【図１６】大気圏外及び大気圏内の太陽光スペクトルとＺｎＯ系光電変換素子の感度とを示す図である。
【図１７】水素火炎のスペクトルと太陽光スペクトルとを示す図である。
【図１８】ＺｎＯ系光電変換素子の複数の感度曲線と太陽光スペクトルとを示す図である。
【図１９】ＺｎＯ系光電変換素子の複数の感度曲線と火炎スペクトルとを示す図である。
【図２０】ＺｎＯ系光電変換素子の複数の感度曲線と蛍光灯スペクトルとを示す図である。
【図２１】ＭｇＺｎＯのＭｇ組成と吸収波長との関係を示す図である。
【図２２】本発明の紫外検出装置の他の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。本発明の紫外検出装置は、半導体光電変換層をベースとした光電変換素子により構成される。ここで、半導体光電変換層とは、光を電流に変換する作用を持つ半導体層であり、例えば、ＰＮ接合やショットキー接合において空乏層を形成している半導体層が該当する。
【００３７】
まず、上記光電変換素子８０の一例として、図２に示すような有機物電極とＺｎＯ系半導体とのショットキー接合型とすることができる。図２の構成では、ＺｎＯ系半導体１上に有機物電極２が形成されており、有機物電極２の上にはワイヤーボンディング等のために用いられるＡｕ膜３が形成されている。一方、ＺｎＯ系半導体１の裏面には有機物電極２に対向するように、Ｔｉ膜４とＡｕ膜５の多層金属膜で構成された電極が形成されている。ＺｎＯ系半導体１は、ＺｎＯ又はＭｇＺｎＯで構成することができ、ＺｎＯ系半導体１は、例えば、ｎ型ＺｎＯ基板で構成される。
【００３８】
一方、有機物電極２は有機導電体であり、紫外領域で透光性を有するものを用いる。ここで、紫外領域で透光性を有するとは、有機物電極２に光を照射したときに、光の４００ｎｍ以下の波長領域で７０％以上の透過率を有することを意味する。これらの特性を有する有機物としては、導電性ポリマーが挙げられる。有機物電極２の一部を導電性ポリマーで構成しても良い。
【００３９】
導電性ポリマーとしては、例えば、図１０（ｂ）に示されるポリチオフェン誘導体（ＰＥＤＯＴ：ポリ(3,4)-エチレンジオキシチオフェン）、図１１に示されるポリアニリン誘導体、図１２（ａ）に示されるポリピロール誘導体等が用いられる。
【００４０】
また、上記の各誘導体に伝導特性等の電気特性を制御するための物質をドーピングした物質が用いられており、例えば、ポリチオフェン誘導体（ＰＥＤＯＴ）に、図１０（ａ）に示されるポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）をドーピングしたものや、ポリピロール誘導体に図１２（ｂ）に示されるＴＣＮＡをドーピングしたものを用いる。
【００４１】
具体的には、有機物電極２を膜厚５０ｎｍのＰＥＤＯＴ：ＰＳＳで構成し、ＺｎＯ系半導体１に単結晶ｎ型ＺｎＯ基板を用い、図２の光電変換素子半導体素子を作製した。
【００４２】
上記の構成に加えて、有機物電極２を抵抗率１０−３ΩｃｍのＰＥＤＯＴ：ＰＳＳで構成したときの図２の素子の分光感度特性を示すのが図１である。ここで、半導体光電変換層に相当するのはＺｎＯ系半導体１、すなわちＺｎＯ基板である。半導体光電変換層の光吸収特性についても合わせて示している。
【００４３】
図１の横軸は波長（ｎｍ）を、左側縦軸は受光感度（Ａ／Ｗ）を、右側縦軸は透過率（％）を示す。受光感度は、素子に対する入射光量（ワット）と素子に流れる光電流（アンペア）との比で表わされる。入射光量は、１６μＷ／ｃｍ２で測定した。ＺｎＯ ＰＤと記載されているのは、図２のショットキー型光電変換素子を、Ｓｉ ＰＤと記載されているのは、従来のＰＮ型のシリコンフォトダイオードを示す。ＰＥはＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの光透過率を、ＺｎＯはＺｎＯ基板の光透過率を表わす。また、ＴＨは、受光感度の理論曲線を示す。
【００４４】
紫外光領域は、図に示すように、さらに、紫外光Ａ（波長３２０ｎｍより大きく、４００ｎｍ以下）、紫外光Ｂ（波長２８０ｎｍより大きく、３２０ｎｍ以下）、紫外光Ｃ（波長２８０ｎｍ以下）に分類される。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは、波長４００ｎｍ以下の紫外光領域の中で、特に、紫外光Ａ及び紫外光Ｂの領域で、８０％以上の透過率を示しており、透光性に優れていることがわかる。紫外光Ｃの領域になると、有機物中のＣ−Ｃ結合（Ｃは炭素）に起因する吸収が大きくなるので、透過率は急減する。また、半導体光電変換層となるＺｎＯは、波長４００ｎｍを超える可視光領域では、６０％以上の透過率を有するが、４００ｎｍを境にして、透過率が急減し、波長４００ｎｍ以下では、ほぼ０となっている。
【００４５】
一方、図２のＺｎＯ系光電変換素子の受光感度は、波長４００ｎｍを超える範囲ではデータのＳ／Ｎ比から明らかなように、測定装置のノイズレベルであり、１０−２Ａ／Ｗ未満で略０となっているが、波長４００ｎｍ以下の特に紫外光Ａ、紫外光Ｂの波長域では、１０−２Ａ／Ｗ以上の高感度を達成しており、従来のＳｉ ＰＤよりも高い感度を有する。したがって、半導体光電変換層となるＺｎＯでは、紫外光Ａ、紫外光Ｂの波長域では、光電変換が高い効率で行われ、可視光領域で光電変換作用がほとんど発生していないことがわかる。すなわち、図２の光電変換素子は、可視光ブラインドな紫外光検出器として作用する。ＺｎＯ ＰＤの最高受光感度の位置は、波長３７０ｎｍ程度となっている。
【００４６】
他方、ショットキー型光電変換素子の半導体光電変換層と接合する電極が、有機導電体で構成することの利点を図９に示す。図９は、半導体光電変換層のＺｎＯと、これに接合する電極が金属のＰｔ（白金）で構成された光電変換素子（Ｐｔ／ＺｎＯ）と、半導体光電変換層のＺｎＯと、これに接合する電極が有機導電体（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）で構成された光電変換素子（ＰＥＤＯＴ／ＺｎＯ）とで、電流−電圧特性を比較した。図の横軸は電圧（Ｖ）、縦軸は電流（Ａ）を表わす。図９の逆バイアス領域では、特性が顕著に相違している。すなわち、ＰＥＤＯＴ／ＺｎＯの方が、逆バイアス下での逆電流は、非常に小さいものとなっており、Ｐｔ／ＺｎＯと比較して４桁以上小さい。このことから明らかなように、有機物電極（有機導電体）を用いると、金属の場合よりも優れたショットキー特性が出る。光電変換素子では逆電流が小さいことが重要なので、有機物電極を用いることは望ましい。
【００４７】
一方、ＰＮ接合型の光電変換素子８１は、例えば、図３のように構成される。図３は、ｐ型不純物を含むＭｇＺｎＯ膜を用いた例を示している。ＺｎＯ基板１２上に、アンドープＺｎＯ層１３、窒素ドープのｐ型ＭｇＺｎＯ層１４を順に結晶成長させた後、ｐ電極１５とｎ電極１１とを形成した。ｐ電極１５は図示されているように、Ａｕ（金）１５２とＮｉ（ニッケル）１５１との多層金属膜で構成し、ｎ電極１１はＡｌ（アルミニウム）で構成した。窒素ドープＭｇＺｎＯ層１４の成長温度は８００℃程度とした。以上のように、ＰＩＮ型のＺｎＯ系光電変換素子を用いると、アンドープＺｎＯ層１３が半導体光電変換層の役割を果たし、この層で紫外光を吸収して検出することができる。なお、ｐ電極として上記のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを用いることもできる。
【００４８】
以上のように、ＰＮ接合型及びショットキー接合型の光電変換素子に用いられる半導体光電変換層には、上記ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ以外に、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ２、ＩｎＧａＮＺｎＯ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮが挙げられる。これらは、可視光領域の光を吸収しないバンドギャップを持つ材料である。上記の各材料は、Γ点におけるバンドギャップが３ｅＶ以上であることが特徴となっている。３ｅＶのバンドギャップで、可視光に対して、ぼぼ透明になり、可視光に対する感度が小さくなる。
【００４９】
ここで、半導体のΓ点とは、以下のように説明される。まず、半導体結晶は、３次元的な繰り返しであるから、空間の３方向に対応した基本ベクトル、ａ１、ａ２、ａ３を持っている。以下の関係により、逆格子ベクトルａ１＊、ａ２＊、ａ３＊を定義する。
【００５０】
ａ１＊＝２π（ａ２×ａ３）／ａ１・（ａ２×ａ３）
ａ２＊＝２π（ａ３×ａ１）／ａ２・（ａ３×ａ１）
ａ３＊＝２π（ａ１×ａ２）／ａ３・（ａ１×ａ２）
ここで、「・」はベクトルの内積を、「×」はベクトルの外積を表わす。ａ１＊、ａ２＊、ａ３＊を単位として格子点の空間が作られるが、これを逆格子空間と呼ぶ。なお、２πの因子は使用しない定義もある。この逆格子空間内の、ある特別な領域である第１ブリルアンゾーンは以下のように決定される。逆格子空間で任意の点を原点の周りにある全ての点と線分を結ぶ。その線分の中点で線分に垂直な平面を描く。この平面で囲まれた部分を第１ブリルアンゾーンと呼ぶ。この第１ブリルアンゾーンの中心をΓ点という。
【００５１】
なお、Γ点の説明は、「Charles Kittel 著、「第6版固体物理学入門」第二章 Introduction to solid state physics、宇野良清、森田章、津屋昇、山下次郎訳、平成３年１０月５日第８刷、丸善株式会社出版」等に詳しい。
【００５２】
以上説明した半導体光電変換層を有する光電変換素子を用いて構成した紫外検出装置の構成例を図６に示す。図６（ａ）は、紫外検出装置の平面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面を示す。樹脂製のケース５１の底面に、光電変換素子５０が接着剤等により取り付けられている。光電変換素子５０には、例えば、前述した図２のショットキー接合型素子や図３のＰＮ接合型素子等が用いられる。光電変換素子５０には、図示していないが、逆バイアスが印加されている。また、ケース５１の底面に、電池５２、受光量積算回路５３が接着剤等により取り付けられている。
【００５３】
電池５２は受光量積算回路５３の電源であり、配線４１を介して電圧を供給する。受光量積算回路５３は、光電変換素子５０で受光した紫外光量を積算するためのものである。受光した光量に比例した電流が光電変換素子５０に流れるが、その電流値と電力とは比例する。そこで、受光量積算回路５３では、電力と電流を検出した時間との積（ワット×時間）を算出する。また、電力は光電変換素子５０に流れる電流を取り出すための配線４２を介して受光量積算回路５３で計算される。
【００５４】
ケース５１の表面には、液晶等により形成された受光量表示部５４が設けられている。ケース５１の上面は、太陽光等の光を取り入れるために、開口部が形成されている。受光量積算回路５３で積算された紫外光量は、配線７０を介して受光量表示部５４で表示される。なお、ケース５１は別に四角である必要はなく、丸や三角、扇型などデザインしやすいような形に形成しても良い。
【００５５】
一方、図６（ｃ）に示すように、紫外光を透過する窓５５をケース５１の開口部に取り付け、外気からのホコリ等を防ぐようにしても良い。窓５５の材料には、紫外光を透過する比較的安価な材料として石英が好適である。もちろん広い波長範囲で透明度を持つフッ化物、たとえばＣａＦ２などでも良い。また、窓５５の表面を粗面化しておくのが望ましい。粗面化はモスアイ構造とするのが最も望ましく、紫外光が光電変換素子に届きやすくなる。ただし、簡易的にはモスアイ構造まで作製しなくても、機能する。
【００５６】
実用的には、図６のような紫外検出装置を腕時計的にはめたり、ペンダントのようにぶら下げたりして、身に着けられる形にデザインし、軽量で携帯性の良いものにすることができる。この場合、ケース５１上に配置されている部品、図６の例では受光量表示部５４や窓５５、及びケース５１の内部に収納されている部品、図６の例では、光電変換素子５０、電池５２、受光量積算回路５３、配線４１、４２、７０、接着剤等を全て合算した重量が１ｋｇ以下であることが望ましい。以上は、携帯型の紫外検出装置を詳述したが、もちろん上記光電変換素子を既存の紫外検出用の装置（例えば、ＳＰＦアナライザー）に用いることもできる。
【００５７】
一方、図２の光電変換素子の半導体光電変換層にＭｇを含んだＭｇＺｎＯを用いて紫外光を分光して検出する場合を以下に説明する。図２のＺｎＯ系半導体１にＭｇＸＺｎ１−ＸＯを用いる。ＭｇＸＺｎ１−ＸＯはＸ≦０．５程度まで直接遷移半導体であるため、その吸収端はするどく、効率は非常に良い。紫外光Ａと紫外光Ｂでは人体に対する影響が異なり、紫外光Ｂの方が波長が長い分、表皮細胞の奥まで届き、コラーゲンの分解等を通して肌のツヤ等を失わせる原因になる。
【００５８】
紫外光Ｂは波長が短いため表皮近くだけにしか吸収されないが、波長が短いということはエネルギーが高くなるため、サンバーン現象や皮膚がんの引き金になる。紫外光Ｃはオゾン層吸収により地表にはほとんど届いていないため、実質的な影響が大きいのは紫外光Ａと紫外光Ｂである。
【００５９】
特に紫外光Ａはガラス等を通過してしまうために室内でも影響が大きいこと、皮膚への浸透の深さが深いこと等の理由で、美容的観点から紫外光Ｂよりケアが必要なＵＶである。このように、紫外光Ａ、紫外光Ｂの人体への作用には差異があるため、それらの光の量を区別して測定し、その効果の違いを弁別しておくことには大きな意義がある。
【００６０】
図４は、ＭｇＸＺｎ１−ＸＯのＸの値とＭｇの含有率に対するバンドギャップ相当波長（ｎｍ）との関係を示す図である。バンドギャップ相当波長は、上述した半導体のΓ点におけるバンドギャップＥｇ（ｅＶ）と、半導体の吸収波長点λ（ｎｍ）との関係、１２４０／λ＝Ｅｇにより求められる。ＭｇＸＺｎ１−ＸＯはＸ≦０．５程度まで直接遷移半導体であるため、その吸収端も鋭く、また吸収率も高い。
【００６１】
図４からわかるように、Ｘ≦０．２５程度で紫外光Ｂバンドの吸収端（３２０ｎｍ）になる。そこで、図２の構成で、ＺｎＯ系半導体１にＭｇ0.25Ｚｎ0.75Ｏ（Ｘ＝０．２５）を用い、有機物電極２には上記実施例同様、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを用いて光電変換素子を形成し、分光感度特性を測定したのが図５である。図５の横軸は波長（ｎｍ）を、左側縦軸は受光感度（Ａ／Ｗ）を、右側縦軸は透過率（％）を示す。ＭｇＺｎＯ ＰＤと記載されているのは、半導体光電変換層をＭｇＺｎＯで形成したショットキー型光電変換素子の受光感度を、ＭｇＺｎＯはＭｇＺｎＯの光透過率を表わす。
【００６２】
紫外光Ｂ、半導体光電変換層となるＭｇＺｎＯは、可視光領域から紫外光Ａの領域までは、透光性が良いが、紫外光Ｂと紫外光Ａとの境界にあたる波長３２０ｎｍで、透過率が急減しており、紫外光Ｂ、Ｃの領域では透過率はほぼ０となる。一方、このＭｇＺｎＯを用いたＭｇＺｎＯ ＰＤでは、可視光領域から紫外光Ａまでの波長域では感度は略０であるが、紫外光Ｂから紫外光Ｃの領域にかけて受光感度が高いものとなっている。
【００６３】
この図５と図１とを比較すればわかるように、ＭｇＸＺｎ１−ＸＯのＭｇの含有率Ｘを変化させることにより、ショットキー型光電変換素子の受光感度領域を変化させることができる。また、図５と図１との比較から、ＭｇＺｎＯとＺｎＯの二つの光電変換素子を並べておくだけで紫外光Ａと紫外光Ｂの紫外線量を弁別することができる。
【００６４】
上記のように、紫外光Ａと紫外光Ｂの紫外線量を弁別するために、２つの光電変換素子を並べて配置した構成例を図７（ａ）に示す。図６と同じ符号は、同じ構成を示す。５０がＺｎＯベースの光電変換素子であり、６０がＭｇＺｎＯベースの光電変換素子である。受光量積算回路部５３は、光電変換素子５０だけでなく、光電変換素子６０とも配線４３で接続されており、配線４２を介して全体の光量を算出し、配線４３を介して例えば紫外光Ｂ以下の波長の光量を算出し、これらを引き算することで、紫外光Ａの波長域における光量のみを算出する。
【００６５】
このとき自然な太陽光に擬した光（可視光、赤外光）を同時に照射した場合や、測定中に回りの部材から燐光や蛍光が出た場合であっても、ＭｇＺｎＯ、ＺｎＯいずれも可視光、赤外光には全く感応しないため、赤外光だけを正確に計量することができる。これにより、簡便なin vitro ＳＰＦ予測値を検出する事もできる。さらに、Ｍｇ含有率の異なる光電変換素子をたくさん並べると、分光測定もできるようになる。また、光電変換素子が小さく、軽いため、分光機能が悪かったり、単体素子の使用で分光機能がなかったりしても、一般の人向けのＵＶケア商品として有効であると考えられる。
【００６６】
Ｍｇ含有率の違う光電変換素子を多く並べて分光測定する場合の構成例を図７（ｂ）に示す。図７（ｂ）では、図が見にくくならないように、受光量積算回路部５３と光電変換素子との間の配線は図示していない。ＭｇＺｎＯベースの光電変換素子６０を多くして、６０１、６０２、・・・、６０ｋ、６０ｌ、・・・、６０ｎとアレイ状に多数形成する。検出できる波長領域を変えるために、ＭｇＺｎＯベースの光電変換素子６０１〜６０ｎは、すべてＭｇ含有率が異なるように形成されている。
【００６７】
以上の技術を応用すると、例えば炭素や金属をほとんど含まない火炎を検出する装置に用いることができる。すなわち、可燃物中に炭素や金属が含まれなかったり、完全燃焼度が高かったりすると、火炎はほとんど可視光を出さないことが多く、火炎があること自体を視認しにくい。例えば水素火炎はＯＨ基がもつ発光線である３１０ｎｍ程度の光は出しているが肉眼ではほとんど検知できない。装置類の中などにあって、回り自体が熱い時には赤外線検知では火炎自身だけをモニターすることは至難であるため、火炎自身はＭｇＺｎＯベースの紫外検出装置で検知するのが好適である。
【００６８】
具体的に説明すると、火炎というのは非常に目に見えやすいように思えるが、例えば特開２００４−２９４４２３号公報に開示されているように、目に良く見えているのは燃えきれない炭素が加熱されて発している光である。炭素は燃えカス、いわゆる煤として発生するが、気体の炭化水素（メタン等）や揮発性の高い炭化水素、例えばアルコール類（アセトン、メタノール、エタノール等）や、水素が主体となるガス等で発生する火炎は、煤が発生しにくいので、肉眼ではほとんど見えない。特に、晴れた日の屋外などでは、明るい背景光があるので、肉眼で検知することが非常に困難である。また電気的な火花は、火炎のように赤外線を伴わず、熱さも伴わず、かつ火花は一瞬の光であるため肉眼では検知しにくい。このような場合に、上述した可視光に感度を有しない紫外検出装置が有効になる。
【００６９】
図１６は、太陽光スペクトルと上述したＺｎＯ系光電変換素子の受光感度との関係を示す。左側の縦軸は受光感度（Ａ／Ｗ）、右側縦軸は照射エネルギー密度（ｍＷ・ｃｍ−２・ｎｍ−１）、横軸は波長（ｎｍ）を示す。太陽光スペクトルは、大気圏内における太陽光と大気圏外における太陽光のスペクトルが示されている。また、実線と点線の曲線はＺｎＯ系光電変換素子の受光感度を示す。このように、大気圏内の太陽光の方が、大気中の吸収により、紫外光領域中の波長の短いスペクトル成分がなくなっており、紫外光Ｃの領域ではスペクトル成分は存在しない。したがって、ＺｎＯ系光電変換素子の感度を図の実線のように設定できれば、大気圏内の太陽光は検出されない。
【００７０】
一方、炎というのは、分子、原子を構成する素粒子の電子が分離したプラズマ状態であり、電子が基底状態に戻る際に発する短い発光を伴っているのが普通である。上記特開２００４−２９４４２３号公報にも記載されているように、ＯＨ基を含むものなら、３１０ｎｍ付近と２８０ｎｍ付近の光を伴っている。図１７は、水素火炎のスペクトルと大気圏内の太陽光スペクトルとの比較を示している。点線の曲線が大気圏内の太陽光のスペクトルを、実線の曲線が水素火炎のスペクトルを示す。水素火炎のスペクトルには、波長２８０ｎｍ付近にＰ１、波長３１０ｎｍ付近にＰ２のピークが存在する。
【００７１】
図１７からわかるように、２８０ｎｍ付近のピーク光Ｐ１は、太陽光スペクトルには存在しないスペクトル成分であり、オゾンホールがなければ含まれない光である。このように、屋外で水素火炎を検出するためには、Ｐ２のピークを検出せずに、Ｐ１のピークを検出する必要がある。Ｐ２のピークを検出してしまうと、太陽光と区別できない。したがって、例えば、３００ｎｍ以下の波長領域でのみ受光感度を有するＺｎＯ系光電変換素子を作製すれば、太陽光によって誤動作することなく、火炎を検出することができる。なお、高緯度の圏内においては、オゾンホールの影響があるが、この場合は、オゾンホール検出に用いても良い。
【００７２】
図２の光電変換素子の半導体光電変換層にＭｇを含んだＭｇＺｎＯを、用いて紫外光を分光して検出する場合を以下に説明する。図２の構成で、ＺｎＯ系半導体１にＭｇＹＺｎ１−ＹＯ（０＜Ｙ＜１）を用い、有機物電極２には、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを用いて光電変換素子を形成した。図４に示すように、ＭｇＹＺｎ１−ＹＯのＹの値を変えるとバンドギャップ相当波長も変化するので、これにより、感度領域を変化させることができる。
【００７３】
図１８は上記ＺｎＯ系光電変換素子のＭｇＹＺｎ１−ＹＯのＹの値を変えた場合の各感度曲線と大気圏内の太陽光スペクトルを示す。横軸は波長（ｎｍ）、左側縦軸は受光感度（Ａ／Ｗ）、右側縦軸は太陽光強度（任意単位）を示す。ＭｇＹＺｎ１−ＹＯのＹの値が大きくなるほど、すなわち、Ｍｇ組成が大きくなるほど、ＺｎＯ系光電変換素子の光電変換開始波長は短くなり、紫外光領域の波長の長い領域には感応しなくなる。
【００７４】
一方、図１８と同様にＭｇＹＺｎ１−ＹＯのＹの値を変化させた場合の感度曲線と、水素火炎のスペクトルとを比較表示したのが、図１９である。横軸は波長（ｎｍ）、左側縦軸は受光感度（Ａ／Ｗ）、右側縦軸は火炎放射強度（任意単位）を示す。図１７で説明したように、水素火炎と太陽光とを区別するためには、ピークＰ２の近傍を検出せずに、ピークＰ１近傍を検出すれば良い。そのためには、閾値波長を３００ｎｍとし、感度曲線が波長３００ｎｍ以下でのみ受光感度を有し、波長３００ｎｍを越える範囲では受光感度がほぼ０となるようにすれば良い。
【００７５】
図１８、１９より、Ｍｇ組成のＹ＝０．５０が境界になっていることがわかる。したがって、ＭｇＹＺｎ１−ＹＯのＹは、０．５以上（Ｙ≧０．５）とすれば良い。このようにすれば、ＺｎＯ系光電変換素子は屋外での火炎検出用のセンサーとして用いることができる。上記ＺｎＯ系光電変換素子を使用した火炎センサーは、既存のガラス管式の持つ脆弱性もないため、屋外の使用に適した火炎センサーができる。また、電気火花のようなものであっても、電気火花が空気の成分をプラズマ化させることによって、紫外光が発生する。火花のスペクトルも水素火炎のスペクトルと同様の形状をしているので、上記のようにＭｇＹＺｎ１−ＹＯのＹを０．５以上とすることにより、ＺｎＯ系光電変換素子で屋外の火花を検出することができる。
【００７６】
他方、屋内で使用する場合には、太陽光は遮られるため、太陽光の影響は考慮しなくて良く、室内で広く使用されている蛍光灯との区別ができれば良い。図２０は、上記ＺｎＯ系光電変換素子においてＭｇＹＺｎ１−ＹＯ（０＜Ｙ＜１）のＹの値を変化させた場合の感度曲線と蛍光灯のスペクトルとを比較表示したものである。横軸は波長（ｎｍ）、左側縦軸は受光感度（Ａ／Ｗ）、右側縦軸は蛍光灯放射強度（任意単位）を示す。蛍光灯のスペクトルにはピークがいくつか存在するが、波長の最も短いピークＬを感度曲線が含まないようにすれば、蛍光灯の影響を無視できる。図２０の感度曲線より、閾値波長は３６０ｎｍ程度となり、Ｙ≧０．１６とすれば良いことがわかる。また、屋内の電気火花の検出についても同様である。
【００７７】
次に、図４に示されるように、Ｍｇ組成Ｙが大きくなるにしたがって、ＭｇＺｎＯのバンドギャップが大きくなるので、吸収波長は小さくなっていくのがわかる。一方、図１８、１９、２０から、受光感度の波長幅は、Ｍｇ組成Ｙが０の場合が一番大きく、Ｍｇ組成Ｙが大きくなるにしたがって、狭くなっていくのがわかる。Ｍｇ組成Ｙが０．１６程度では、まだ紫外光Ａの一部の波長域に感度を有するが、Ｙが０．３１では、紫外光Ａの領域に対する感度がほぼ０の状態となっている。さらに、Ｙが０．５０では、紫外光Ａに対する感度は無く、紫外光Ｂに対する感度もほぼ０の状態となっている。このように、Ｍｇ組成Ｙを変化させることで、感度特性曲線におけるスペクトル幅の長波長側の境界波長を変えることができ、これらを組み合わせることで、紫外光Ａ，Ｂ，Ｃを各々検出することが可能である。Ｍｇ組成Ｙと感度特性曲線との一定の関係は、「Masaski Nakano et al.,Applied Physics Express 1 (2008) 121201」にも記載されているが、より詳しく以下に説明する。
【００７８】
図２１は、ＭｇＹＺｎ１−ＹＯのＭｇ含有率（Ｙ）とバンドギャップエネルギー、波長との関係を示す。横軸がＭｇＹＺｎ１−ＹＯのＭｇ含有率を、左側縦軸がバンドギャップエネルギー（ｅＶ）を、右側縦軸が吸収波長（ｎｍ）を示す。ここで、吸収波長はバンドギャップ相当波長を表わす。また、λ_resp1/2は、最高感度の１／２の感度になる長波長側の境界波長を示し、λ_resp1/10は、最高感度の１／１０の感度になる長波長側の境界波長を示す。特にλ_resp1/2の曲線から、紫外光Ａ，Ｂ，Ｃを弁別するためのＭｇ含有率を導くことができる。
【００７９】
Ｍｇ組成Ｙが大きくなると、境界波長も大きくなっていく。Ｍ１の位置で、λ_resp1/2の境界波長は紫外光Ａの領域と紫外光Ｂの領域の境界となっている。Ｍ１はＹ＝０．２５を示している。したがって、Ｙを０．２５以上としておけば、３２０ｎｍ以下の波長を光電変換開始波長とすることができ、光電変換開始波長以下の波長を検出することができる。一方、Ｍ２の位置で、λ_resp1/2の境界波長は紫外光Ｂの領域と紫外光Ｃの領域の境界となっている。Ｍ２はＹ＝０．４５を示している。したがって、Ｙを０．４５以上としておけば、２８０ｎｍ以下の波長を光電変換開始波長とすることができ、光電変換開始波長以下の波長を検出することができる。
【００８０】
次に、図６、７の例に示されるように、光電変換素子で検出した紫外光量を数字で表わすのではなく、画像で直感的にわかるようにした紫外検出装置を以下に示す。図２２（ａ）は、光電変換素子７０と表示部７１とを備えた紫外光検出器の例を示す。表示部７１は、液晶等で構成されており、図に示すように、文字や絵を含む画像が表示されるようになっている。例えば、図のように、オーケー等の文字とともに、笑顔のキャラクターとハートマークが表示された場合には、紫外光量は、低レベルで問題ないというように設定すれば、直感的にわかりやすい。
【００８１】
一方、図２２（ｂ）は、キーホルダーのようにアクセサリとして持ち歩けるようにしたもので、例えば円筒状のケースに光電変換素子７０、ＬＥＤ等による発光素子７２、７３、７４が取り付けられている。ここで、発光素子７２、７３、７４は、発光の色が異なるように構成されており、例えば、発光素子７２が赤色に、発光素子７３が緑色に、発光素子７４が青色に、発光するようになっている。そして、光電変換素子７０で受光した紫外光量が多い場合には、赤色の発光素子７２を、紫外光量が平均の場合は緑色の発光素子７３を、紫外光量が少ない場合は青色の発光素子７４を発光させるようにすれば、紫外光量の多い時が良くわかる。また、例えば、紫外光Ｃが測定された場合には赤色の発光素子７２を、紫外光Ｃを含まない紫外光Ｂが測定された場合には緑色の発光素子７３を、紫外光Ｃを含まない紫外光Ａが測定された場合には青色の発光素子７４を発光させるようにしても良い。
【００８２】
他方、図２２（ｃ）は、図２２（ｂ）と同様、キーホルダーのようにアクセサリとして持ち歩けるようにしたものであるが、発光の色が異なる発光素子を用いていない。ここでは、円筒状のケースに光電変換素子７０と、ＬＥＤ等による発光素子７５が複数取り付けられている。図では４個の発光素子７５が設けられ、各発光素子７５の発光色は同じである。そして、レベルメーターのように、発光した発光素子７５の数で紫外光量の多い、少ないを判断できるようにしている。例えば、図では、３個の発光素子７５が光っているが、紫外光量はかなり多いと直感的に判断することができる。
【００８３】
次に、図２のショットキー接合型半導体素子における有機導電体（有機物電極２）と半導体光電変換層（ＺｎＯ系半導体１）との間の整流作用について説明する。図２の素子で、Ａｕ膜３を直流電源の＋側にＡｕ膜５を直流電源の−側に接続した状態が順バイアスである。一方、Ａｕ膜３を直流電源の−側にＡｕ膜５を直流電源の＋側に接続した状態が逆バイアスである。
【００８４】
図８は図２のように形成されたＺｎＯ系半導体素子の作用を説明するための図である。図８は、図２のＺｎＯ系半導体１をｎ型ＺｎＯ基板、有機物電極２をＰＥＤＯＴ：ＰＳＳで構成した場合のＺｎＯ系半導体１と有機物電極２との接合界面におけるエネルギーバンド図を示す。
【００８５】
図８（ａ）は、ＺｎＯ系半導体素子にかかるバイアスが０の場合を、図８（ｂ）は、バイアスが順方向の場合を、図８（ｃ）はバイアスが逆方向の場合を示す。また、ＥＦＯは有機物電極２のフェルミ準位を、ＥＦＺはＺｎＯ系半導体１のフェルミ準位を、ＶＬは真空準位を、φＯは有機物電極２の仕事関数を、φＺはＺｎＯ系半導体１の仕事関数を、ＥＣは伝導帯の準位を、ＥＶは価電子帯の準位を、χＺはＺｎＯ系半導体１の電子親和力を表している。
【００８６】
図８（ａ）のようにバイアスが０の場合、ＺｎＯ系半導体と有機物電極とのフェルミ準位は一致し、平衡状態になっており、ＺｎＯ系半導体から有機物電極への電子の流れに対する障壁（ビルトインポテンシャル）φＯ−φＺと、有機物電極からＺｎＯ系半導体への電子の流れに対するショットキー障壁φＯ−χＺを生じる。
【００８７】
一方、順バイアスを加えると、φＯ−φＺを打ち消す向きであるので、図８（ｂ）に示すように、ＺｎＯ系半導体側の障壁がｑＶだけ低くなり、有機物電極側の障壁は変わらないので、ＺｎＯ系半導体から有機物電極への電子流が増える。他方、逆バイアスの場合は、図８（ｂ）とは逆にＺｎＯ系半導体側の障壁がｑＶだけ高くなり、有機物電極側の障壁は変わらないので、図８（ｃ）のようになる。したがって、ＺｎＯ系半導体から有機物電極への電子流がほとんど発生しない。
【００８８】
以上のように、ＺｎＯ系半導体１と有機物電極２とが、φＯ＞χＺの関係で接合すると、ｐｎ接合と同様の整流作用が発生する。このように、図２の構成例では、有機物電極２を有機物／半導体界面を制御するような能動的役割を果たす電極として構成している。
【００８９】
図２のＺｎＯ系半導体素子で、ＺｎＯ系半導体１にｎ型ＺｎＯ基板、有機物電極２にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを用いた場合の製造方法を簡単に説明する。まず、ｎ型ＺｎＯ基板を１１００℃程度の温度で加熱処理し、アセトンやエタノールの溶液中で超音波洗浄を行った後、ＵＶ−オゾン照射で親水処理を行う。次に、スピンコート法によりｎ型ＺｎＯ基板上に、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを塗布して形成し、２００℃程度の温度でベーキングする。
【００９０】
その後、Ａｕメタルを蒸着してＡｕ膜３を作製し、次に、レジストをＡｕ膜３上に形成し、Ａｒ＋プラズマ等によるドライエッチングによりＡｕ膜３を所定形状に形成する。アセトン溶液中で超音波洗浄を行ってレジスト剥離した後、Ｔｉメタルを蒸着してＴｉ膜４を、さらにＡｕメタルを蒸着してＡｕ膜５を形成して図２のＺｎＯ系半導体素子が完成する。
【００９１】
ところで、ＺｎＯ系半導体は、ＧａＮと同様、ウルツァイトと呼ばれる六方晶構造を有する。そして、Ｃ面やａ軸という表現は、いわゆるミラー指数により表すことができ、例えば、Ｃ面は（０００１）面と表される。その他、Ａ面は（１１−２０）で、柱面となるＭ面は（１０−１０）で表わされる。例えば｛１１−２０｝面や｛１０−１０｝面は、結晶のもつ対称性により、（１１−２０）面や（１０−１０）面と等価な面も含む総称であることを示している。また、ａ軸はＡ面の垂直方向を、ｍ軸はＭ面の垂直方向を、ｃ軸はＣ面の垂直方向を示す。
【００９２】
ＺｎＯ系半導体１上に有機物電極２を形成する場合には、ＺｎＯ系半導体１において有機物電極２を形成する側の結晶面をどのようにするかで、素子の特性が異なってくるので結晶面の選び方が重要になる。
【００９３】
ＺｎＯ系半導体の−Ｃ面は＋Ｃ面に比べて、酸やアルカリに弱く、加工も行いにくい。特に有機物電極２にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを用いた場合には、図１０の構造式からもわかるようにＰＨ１程度の酸性を示すので、−Ｃ面では、若干のエッチングにより素子の特性が不安定になる現象が見られた。これを防ぐために、シランカップリング剤等でコーティングすることもでき、そのようにすると特性は安定する。しかし、工程が増加するので、＋Ｃ面上に有機物電極２を形成した方が、工程が簡単になり望ましい。
【００９４】
ところで、上記のように、有機物電極２を形成するＺｎＯ系半導体１の主面については＋Ｃ面が良いことがわかったが、実際には＋Ｃ面ジャスト基板はバルクからの切り出しを行う限り、安定して作製できないので、半導体主面法線又は基板主面法線がｃ軸から少なくともｍ軸方向に傾斜した面を主面とするＺｎＯ系半導体１が用いられる。
【００９５】
ＺｎＯ系材料層上にＺｎＯ系薄膜を成長させる場合には、通常Ｃ面（０００１）面が用いられるが、Ｃ面ジャスト基板を用いた場合、図１４（ａ）のようにウエハ主面の法線方向がｃ軸方向と一致する。しかし、バルク結晶は、その結晶がもつ劈開面を使用しないかぎり、図１４（ａ）のように法線方向Ｚがｃ軸方向と一致することがなく、Ｃ面ジャスト基板にこだわると生産性も悪くなる。また、Ｃ面ジャストＺｎＯ系基板上にＺｎＯ系薄膜を成長させても膜の平坦性が良くならないことが知られている。
【００９６】
図１３は、基板主面の法線Ｚが、基板結晶軸のｃ軸から角度Φ傾斜し、かつ法線Ｚを基板結晶軸のｃ軸ｍ軸ａ軸の直交座標系におけるｃ軸ｍ軸平面に射影（投影）した射影（投影）軸がｍ軸の方へ角度Φｍ、ｃ軸ａ軸平面に射影した射影軸がａ軸の方へ角度Φａ傾斜している場合を示す。すなわち、ＺｎＯ系半導体１（ウエハ）の主面の法線方向をｃ軸方向と一致させずに、基板主面の法線Ｚが、基板結晶軸のｃ軸から傾き、オフ角を有するようにする。
【００９７】
例えば、図１４（ｂ）に示されるように、主面の法線Ｚがｃ軸ｍ軸平面内に存在し、かつ法線Ｚがｃ軸からｍ軸方向にのみθ度傾斜しているとすると、基板１の表面部分（例えばＴ１領域）の拡大図である図１４（ｃ）に表されるように、平坦な面であるテラス面１ａと、法線Ｚが傾斜したことにより生じる段差部分に等間隔で規則性のあるステップ面１ｂとが生じる。  
【００９８】
ここで、テラス面１ａがＣ面（０００１）となり、ステップ面１ｂはＭ面（１０−１０）に相当する。図のように、形成された各ステップ面１ｂは、ｍ軸方向にテラス面１ａの幅を保ちながら、規則的に並ぶことになる。すなわち、テラス面１ａと垂直なｃ軸と基板主面の法線Ｚとはθ度のオフ角を形成する。また、ステップ面１ｂのステップエッジとなるステップライン１ｅは、ｍ軸方向と垂直の関係を保ちながら、テラス面１ａの幅を取りながら並行に並ぶようになる。
【００９９】
このように、ステップ面をＭ面相当面となるようにすれば、主面上に結晶成長させたＺｎＯ系半導体層においては平坦な膜とすることができる。主面上にはステップ面１ｂによって段差部分が発生するが、この段差部分に飛来した原子は、テラス面１ａとステップ面１ｂの２面との結合になるので、テラス面１ａに飛来した場合よりも原子は強く結合ができ、飛来原子を安定的にトラップすることができる。
【０１００】
表面拡散過程で飛来原子がテラス内を拡散するが、結合力の強い段差部分や、この段差部分で形成されるキンク位置（図１５参照）にトラップされて結晶に組み込まれることによって結晶成長が進む沿面成長により安定的な成長が行われる。このとき、ステップ面１ｂが熱的に安定であることが望ましく、それにはＭ面が優れている。このように、Ｃ面が少なくともｍ軸方向に傾斜した基板上に、ＺｎＯ系半導体層を積層させると、ＺｎＯ系半導体層はこのステップ面１ｂを中心に結晶成長が起こり、平坦な膜を形成することができる。
【０１０１】
すなわち、ｍ軸方向にステップエッジが規則的に並んでいる状態になることが、平坦な膜を作製する上で必要なことであり、ステップエッジの間隔やステップエッジのラインが乱れると、前述した沿面成長が行われなくなるので、平坦な膜が作製できなくなる。したがって、平坦な膜となる条件としては、薄膜主面法線又は基板主面法線がｃ軸からｍ軸方向にオフ角を有することが必要となる。しかし、図１４（ｂ）で傾斜角度θを大きくしすぎると、ステップ面１ｂの段差が大きくなりすぎて、平坦に結晶成長しなくなる。そこで、その傾斜角度は５度以下とすることが望ましい。
【０１０２】
上記のようにＺｎＯ系半導体層上に平坦なＺｎＯ系半導体膜を形成することは、デバイスを作製後の素子特性の向上を考える上で必要になる。
【０１０３】
次に、ＺｎＯ系化合物は、圧電体であるため、サファイア基板とＺｎＯ層、ＺｎＯ層とＭｇＺｎＯ系化合物層との積層などのようにヘテロ接合が形成されていると、その基板とＺｎＯ系化合物層間または積層される両半導体層間で格子定数の差に基づく歪みが発生し、その歪みに基づいてピエゾ電界（応力により発生する電界）が発生する。これは、ＺｎＯのような六方晶系の結晶では、ｃ軸方向に対称性がなく、Ｃ面成長のエピタキシャル膜には表裏が生じるというウルツ鉱構造のためである。このピエゾ電界は、キャリアにとって、新たに加えられたポテンシャル障壁になり、ダイオードなどのビルトイン（built-in）電圧を上昇させることにより、駆動電圧を上昇させる。
【０１０４】
したがって、図２のＺｎＯ系半導体１に組成の異なるＺｎＯ系半導体の積層体を用いる場合や図３の構成では、組成の異なるＺｎＯ系半導体間でピエゾ電界が発生して素子の駆動電圧が上昇することが考えられる。
【０１０５】
上記ピエゾ電界の影響を取り除くためには、界面応力により電荷が発生する面を素子に印加する電界の方向と平行になるように（ピエゾ電界が素子に印加する電界と垂直になるように）、ＺｎＯ系化合物半導体層を形成又は積層することにより、ピエゾ電界による問題を解決することができる。
【０１０６】
ピエゾ電界による問題を解決するために、例えば、図３のＺｎＯ基板１２は、結晶成長側の主面がＡ面またはＭ面から（有機物電極２の法線方向から）−ｃ軸方向に傾斜した面となるように研磨されている。傾斜角θは０．１〜１０°程度、より好ましくは０．３〜５°である。
【０１０７】
このような半導体を用いると前述のように、界面応力により電荷が発生する面、すなわち＋Ｃ面が素子に印加する電界の方向と平行になるように（ピエゾ電界が素子に印加する電界と垂直になるように）構成されるので、ピエゾ電界の問題を解決することができ、駆動電圧の上昇を防ぐことができる。
【０１０８】
一方、Ａ面またはＭ面ジャスト基板を形成しようとしても、実際には、上記Ｃ面ジャスト基板の場合と同様の理由により、完全なフラットな面を形成することができない。図１４（ｂ）の場合と同様、基板主面法線Ｚをｍ軸又はａ軸から少なくともｃ軸方向に傾斜させるようにする。基板主面法線をａ軸又はｍ軸からｃ軸方向に傾斜させることで、主面上にはテラス面と、傾斜させることにより生じる段差部分に等間隔で規則性のあるステップ面が形成される。表面上の段差により生じるステップ面とその他の面であるテラス面が生じ、このステップ面を＋ｃ軸方向となるようにすることにより、ｐ型層のキャリア濃度も向上させることができる。
【０１０９】
また、傾斜方向を−ｃ軸方向とすることにより、ステップ面は常に＋ｃ軸配向した＋Ｃ面が露出することになる。このような状態で、結晶成長させることにより、図１４で説明したのと同様な理由で、沿面成長が起こり、安定的な成長が行われて平坦な膜を形成することができる。なお、以上述べた成長面に関する説明は、ＺｎＯ系半導体と同様のウルツ鉱結晶構造を持つＧａＮ系半導体を用いる場合にも適用することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１      ＺｎＯ系半導体
２      有機物電極
３      Ａｕ膜
４      Ｔｉ膜
５      Ａｕ膜
１１    ｎ電極
１２    ＺｎＯ基板
１３    アンドープＺｎＯ層
１４    窒素ドープＭｇＺｎＯ層
１５    ｐ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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